微帶天線由于其重量輕,制作簡單、成本低,易于與載體平臺共形以及適合組陣等諸多優點,自20世紀70年代以來越來越受重視并得到廣泛應用。它特別適用于各種移動地面設備,如移動通信、無線電話、GPS接收機、車載雷達等,以及飛行載體(如衛星、火箭和飛機等)電子設備。但微帶貼片天線的致命缺點是阻抗帶寬太窄,只有百分之幾,大大限制了它的應用范圍。近些年來,已有多種技術成功地用于改善帶寬,這些方法中包括使用低介電常數的介質基板、使用水平或垂直方向多層寄生貼片、以及采用匹配結構等。

　　本文提出微帶貼片天線加載變容管來提高有效帶寬,用最簡單的傳輸線模型理論設計微帶貼片天線,研究變容管加載的探針饋電矩形微帶天線電特性,重點考查了變容管加載微帶天線后的諧振頻率變化及可調諧范圍,實驗結果與預測符合得較好。

1 天線的分析與設計

　　微帶天線的分析方法主要可分為三類,即傳輸線模型,腔模理論以及全波分析法。全波分析法是最嚴格的分析方法,采用矩量法(MOM)、有限元法(FEM)及時域有限差分法(FDTD)等數值方法比較嚴格地求解,結果比較精確,但計算量都比較大。在通常的工程應用中,采用傳輸線模型和腔模理論,只要根據經驗公式和實際結構作適當的修正,也能得到滿意的設計結果,誤差可控制在1%以下。

　　探針饋電的加載變容管矩形微帶貼片天線結構,如圖1所示,微帶貼片印刷在介電常數εr=2.2的聚四氟乙烯介質基片上,基片厚度h=1.59mm;設計中心頻率f0=3.0GHz(未加載變容管時),設貼片的寬度和長度分別為W和L,饋電點距兩邊緣為L1、L2。其等效傳輸線模型如圖2所示,變容管的等效電路如圖3所示。

微帶結構的等效介電常數及特性阻抗分別為:

其中Wr=W/h,開路端縫隙邊緣效應引起的等效延伸長度為:

則可得左邊終端導納Ys1=Gs+jBs,其中

且LC=L+Δl。對于右端(即加載變容管端),其終端導納還需計入變容管影響,即Ys2=Gs+jBs+g0+jBV。另外,采用同軸探針饋電,中心導體需穿過介質板,即在貼片與金屬接地板間含有一金屬小圓柱,對輸入阻抗的影響為引入一感抗

令YinL和YinR分別為由饋電點向左向右看的輸入導納,由傳輸線公式:

根據諧振時輸入導納的虛部為零即可求出天線的諧振頻率。這樣,控制加在變容管上的電壓就可以控制天線的工作頻率,從而加大天線的工作頻率范圍。

2 實驗結果

　　首先設計一個微帶貼片天線,微帶貼片印刷在介電常數為2.2的聚四氟乙烯介質基片上。基片厚度h=1.59mm。微帶貼片天線的設計頻率為3.0GHz,則由計算得到貼片的物理尺寸,長L=32.85mm,寬W=39.50mm。為使阻抗為50Ω的SMA同軸探針與貼片的輸入阻抗匹配,饋電探針的位置應放在距貼片中心約L/6處。所采用的變容管的基本參數為:總電容比10,零偏電容6pF,反向擊穿電壓-22V,寄生電容0.13pF,串聯電感0.4nH,串聯電阻0.01Ω;與其對應的變容管的等效電路如圖3所示。該變容管具有高電容比,高Q值,恒定的γ值;為獲得較寬的調諧范圍,變容管加載于貼片輻射邊的中心,因為該點的電場最強。

　　再單獨測量變容管工作特性曲線,即改變變容管的反向偏壓時測電容值;然后加載微帶貼片天線作在線測量,改變變容管的反向偏壓,用標量網絡分析儀來測量反射損耗的頻率響應。圖4給出了微帶貼片天線的諧振與變容管電容的關系曲線的測試結果。不難發現在一個相當寬的頻率范圍上可以調諧。而且,當變容管反向偏置電壓大于10V時,諧振頻率數值上變化不明顯,這是因為變容管的接頭電容在這個工作區上趨近于常數。以2.2GHz為中心,測得的調諧范圍為50%。考慮變容管等效電路中所有的參數,圖中同時給出了用簡單的傳輸線理論計算諧振頻率曲線,測試結果與預測吻合得較好。

實驗結果表明,將變容管放在貼片輻射邊的中心時,獲得了相當寬的調諧范圍:以2.20GHz為中心可達50%。值得注意的是,采用這種辦法并不增加天線的瞬時阻抗帶寬;即使如此,這種方案的實現對于頻率捷變裝置或多頻工作的收發系統,如雷達、移動通訊,仍然有著非常重要的實際意義。